[论文解读] New models of Jupiter in the context of Juno and Galileo

Florian Debras, G. Chabrier|Figshare|Jan 17, 2019

Astro and Planetary Science被引用 5

一句话总结

本文提出了新的木星内部模型，能够同时满足朱诺号的重力场测量数据与伽利略号对氦和重元素丰度的约束——此前这些观测结果被认为是相互矛盾的。通过引入一个重元素丰度随深度减小的区域，以及在百兆巴压力区域附近显著的熵跃迁，极有可能由氢的压强电离和H/He不相溶性引起，这些模型在无需假设不切实际的差速旋转或人为调整状态方程的情况下，成功再现了高阶重力矩。

ABSTRACT

Observations of Jupiter's gravity field by Juno have revealed surprisingly small values for the high order gravitational moments, considering the abundances of heavy elements measured by Galileo 20 years ago. The derivation of recent equations of state for hydrogen and helium, much denser in the Mbar region, worsen the conflict between these two observations. In order to circumvent this puzzle, current Jupiter model studies either ignore the constraint from Galileo or invoke an ad hoc modification of the equations of state. In this paper, we derive Jupiter models which satisfy both Juno and Galileo constraints. We confirm that Jupiter's structure must encompass at least four different regions: an outer convective envelope, a region of compositional, thus entropy change, an inner convective envelope and an extended diluted core enriched in heavy elements, and potentially a central compact core. We show that, in order to reproduce Juno and Galileo observations, one needs a significant entropy increase between the outer and inner envelopes and a smaller density than for an isentropic profile, associated with some external differential rotation. The best way to fulfill this latter condition is an inward decreasing abundance of heavy elements in this region. We examine in details the three physical mechanisms able to yield such a change of entropy and composition: a first order molecular-metallic hydrogen transition, immiscibility between hydrogen and helium or a region of layered convection. Given our present knowledge of hydrogen pressure ionization, combination of the two latter mechanisms seems to be the most favoured solution.

研究动机与目标

• 调和朱诺号测得的高阶重力矩（J4–J10）与伽利略号测量的木星外层包层中氦和重元素丰度之间的矛盾约束。
• 解决长期以来的传统模型无法同时满足朱诺号和伽利略号观测结果的难题。
• 研究能够产生木星气态包层中百兆巴区域附近显著熵增和成分梯度的物理机制。
• 证明多层内部结构——特别是重元素丰度随深度减小的成分过渡区——对于与观测结果一致至关重要。
• 评估氢压强电离、H/He不相溶性和分层对流作为驱动所需内部结构的物理机制的可行性。

提出的方法

• 采用同心麦考林椭球（CMS）方法，计算木星内部结构的自洽、球对称模型。
• 使用更新的氢和氦状态方程（EOS），特别是提高百兆巴区域密度的状态方程，以模拟热力学性质。
• 引入观测约束：朱诺号测得的重力矩（J2, J4–J10）和伽利略号的大气丰度（YGal, ZGal）作为固定边界条件。
• 系统性地改变氦和重元素质量分数的径向分布，以识别能够同时再现朱诺号和伽利略号数据的配置。
• 引入一个成分梯度区（区域II），其重元素Z和氦Y随深度减小，以实现局部熵增，而无需依赖极端差速旋转。
• 基于热力学和相稳定性准则，评估三种机制（一级H/He相变、不相溶性、分层对流）的物理合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为同时满足朱诺号的高阶重力矩与伽利略号测得的重元素丰度，木星内部结构必须具备何种特征？
• RQ2 在不假设极端大差速旋转的前提下，木星气态包层中如何实现显著的熵增？
• RQ3 哪些物理机制——如氢压强电离、H/He不相溶性或分层对流——能够产生百兆巴区域附近的观测成分与熵梯度？
• RQ4 在氢金属化过程中，相分离或成核过程在多大程度上可解释观测到的成分分布？
• RQ5 重力场测量与大气成分约束如何共同限制中心核心或稀释核心的存在可能性及其大小？

主要发现

• 木星内部至少包含四个不同区域：外对流包层、重元素丰度随深度减小的成分过渡区、内对流包层，以及富含重元素的稀释核心。
• 在百兆巴区域附近的显著熵增——由氢压强电离和H/He不相溶性驱动——是将高阶重力矩降低至朱诺号观测值的关键。
• 在百兆巴区域具有重元素丰度随深度减小的模型，最能再现朱诺号的J4–J10数值，同时与伽利略号的ZGal和YGal测量结果一致。
• H/He不相溶性与氢压强电离的结合，是产生所需熵梯度和成分梯度的最符合物理实际的机制。
• 分层对流是可行的替代机制，尤其当相变过程平滑且温度低于相分离临界点时。
• 传统两层或三层模型无法同时满足朱诺号与伽利略号的约束，因此在这些新发现的背景下已不再适用。